600MW超臨界機(jī)組某型旁路閥的故障分析與處理

麥潔

摘 要：本文對(duì)茂名熱電廠7號(hào)機(jī)組旁路閥從基建到投產(chǎn)的五年時(shí)間內(nèi)，先后發(fā)生的油缸驅(qū)動(dòng)力不足、高頻劇烈振動(dòng)、噪音超標(biāo)污染、閥門內(nèi)漏等多種問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了閥體結(jié)構(gòu)改造、閥芯閥座防沖刷結(jié)構(gòu)改造等一系列技術(shù)方案，有效地解決了上述缺陷問題，消除了高溫高壓設(shè)備的安全隱患，并提出了延長(zhǎng)設(shè)備壽命和檢修周期的運(yùn)行措施。

關(guān)鍵詞：600MW機(jī)組 旁路閥 故障分析 處理

中圖分類號(hào)：TK227 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（a）-0070-03

1 設(shè)備概況及參數(shù)

茂名熱電廠7號(hào)機(jī)組為東方汽輪機(jī)廠引進(jìn)日立技術(shù)生產(chǎn)制造的超臨界壓力、一次中間再熱、沖動(dòng)式、單軸、三缸四排汽、雙背壓、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為：CC600/523-24.2/4.2/1.0/566/566，最大連續(xù)出力為662MW，額定出力為600MW。機(jī)組采用高壓和低壓兩級(jí)串聯(lián)的旁路系統(tǒng)，其中高壓旁路容量為40%鍋爐最大容量，布置在汽機(jī)房的6.9m平臺(tái)上；低壓旁路設(shè)置兩套裝置，分別對(duì)應(yīng)高、低壓凝汽器，總?cè)萘繛楦邏号月返恼羝髁颗c噴水流量之和，布置在汽機(jī)房的13.7m平臺(tái)上。高壓旁路系統(tǒng)裝置由高壓旁路閥（含減溫器）、噴水調(diào)節(jié)閥、噴水隔離閥及液壓站、油管道（硬管和軟管）等組成，低壓旁路系統(tǒng)裝置由低壓旁路閥（含減溫器）、噴水調(diào)節(jié)閥、噴水隔離閥及液壓站、油管道等組成，主要參數(shù)如表1所示，高旁閥結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2 設(shè)備運(yùn)行情況及問題

（1）2012年基建期間，高旁閥減溫水調(diào)節(jié)閥由于油缸驅(qū)動(dòng)力不足，導(dǎo)致減溫水調(diào)節(jié)閥在壓力大于13MPa時(shí)無法開啟，更換更大驅(qū)動(dòng)力的油缸，此問題解決。另外，低旁閥也曾發(fā)生無法開啟的問題，制造廠提供了一套重新設(shè)計(jì)的閥門內(nèi)芯，減少了閥芯開啟阻力，此問題當(dāng)時(shí)已解決。

（2）2013年停機(jī)保養(yǎng)期間，7號(hào)機(jī)組共啟動(dòng)了3次進(jìn)行沖轉(zhuǎn)保養(yǎng)，曾發(fā)生高排逆止門后疏水罐水位計(jì)接管焊縫振裂、高旁閥后壓力表管斷裂、高旁閥后溫度測(cè)點(diǎn)反復(fù)故障損壞等問題；在機(jī)組啟動(dòng)過程中，高旁投入運(yùn)行時(shí)聲音較異常，噪聲非常大且尖銳，高旁閥振動(dòng)幅度較小，肉眼觀察不明顯，現(xiàn)場(chǎng)巡查未聽見水錘聲音。

（3）機(jī)組投產(chǎn)后，2013年12月26日第一次啟動(dòng)過程中，高旁閥減溫水投入自動(dòng)控制，因?yàn)楦吲蚤y后溫度測(cè)點(diǎn)因振動(dòng)損壞，控制系統(tǒng)誤判斷為閥門出口超溫，減溫水調(diào)節(jié)閥瞬間全開并反復(fù)波動(dòng)，對(duì)閥門造成了熱應(yīng)力沖擊，在高頻振動(dòng)的疊加下，高旁閥減溫水3個(gè)噴嘴的管座焊縫均開裂。經(jīng)過搶修恢復(fù)噴嘴焊縫，并在冷段再熱蒸汽管道0m層最后一處彎頭前增加了一路疏水管道至疏水?dāng)U容器，2014年1月4日第二次啟動(dòng)過程中，在高旁閥及其減溫水投入后，高旁閥后管道和冷段在再熱蒸汽管道仍存在明顯的高頻振動(dòng)，測(cè)得的振動(dòng)速度值隨著高旁閥的開度增大而增大，在#27彈簧支座、#7彈簧吊架處尤其明顯，同時(shí)，高旁閥附近區(qū)域的噪音也明顯增大，高排逆止門后疏水罐水位計(jì)接管和高旁閥后壓力表管仍被振裂，見圖2。

（4）2014年4月3日停機(jī)過程中，高旁閥后彈簧支座振動(dòng)及閥門附近1m范圍內(nèi)噪音測(cè)量情況。

（5）2014年10月機(jī)組首次大修，對(duì)高旁閥進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)高旁閥節(jié)流裝置（降噪籠）底板整塊脫落，第二、三級(jí)節(jié)流裝置完全失效，見圖3。

3 故障原因分析

（1）管道發(fā)生振動(dòng)的常見情況是水擊（水錘）現(xiàn)象，由汽（氣）液兩相流或疏水不暢所造成，但從機(jī)組2014年1月4日啟動(dòng)過程的情況（高旁閥減溫水為手動(dòng)控制，未過量噴水；疏水亦正常）分析，振動(dòng)源應(yīng)為高旁閥內(nèi)部。

（2）此類型閥門后的管道直管段長(zhǎng)度要求為管道直徑的5～10倍，7號(hào)機(jī)組高旁閥后的管道長(zhǎng)度（5900mm）/直徑（711.2mm）約為8.3倍，符合要求，排除了管道設(shè)計(jì)布置不合理引起的閥門振動(dòng)的疑點(diǎn)。

（3）經(jīng)拆檢減溫水噴嘴，組件完好、無卡澀，排除了噴水霧化效果不好導(dǎo)致管系振動(dòng)的可能。

（4）從表2可知，高旁閥引起的高頻振動(dòng)速度非常高，振幅很?。ㄐ∮?mm，肉眼幾乎觀察不出來），未達(dá)到支架阻尼器的作用行程范圍，可確定支吊架系統(tǒng)對(duì)管系的振動(dòng)貢獻(xiàn)非常小。

（5）經(jīng)核算，該閥門通流面積有20%的余量，主蒸汽流量768t/h對(duì)應(yīng)Kverf=384.0m3/h，Kvmax=504.6m3/h；高旁閥前蒸汽流速為59m/s，閥后67m/s，高旁閥前、后的管道直徑設(shè)計(jì)合理，排除了閥門、管道尺寸不足導(dǎo)致蒸汽流速過高而產(chǎn)生振動(dòng)的疑點(diǎn)。

（6）結(jié)合閥門解體情況，最終確定高旁閥振動(dòng)及噪音的原因是，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，尤其是鍋爐試水壓后過熱器中留存了大量液態(tài)水，主蒸汽溫度處于濕蒸汽區(qū)運(yùn)行，蒸汽混夾的水滴將對(duì)高旁閥閥芯產(chǎn)生沖擊，尤其是通過高旁閥座后流速升高，破壞力增大，閥門內(nèi)部節(jié)流裝置（降噪籠）底板焊縫產(chǎn)生隱性裂紋；在后續(xù)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，高旁閥瞬間開啟，大量蒸汽通過旁路至再熱器，沖擊節(jié)流裝置底板，造成底板整體脫落，此后蒸汽直接進(jìn)入高旁閥后管道，高溫、高壓的蒸汽流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)值，產(chǎn)生高頻振動(dòng)和噪音。

4 處理方案

制造廠對(duì)閥門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)：閥芯由圓筒型改為拋物線型，改善低開度工況時(shí)閥芯的微調(diào)控制品質(zhì)，并將第二級(jí)節(jié)流裝置（降噪籠）與第三級(jí)節(jié)流裝置分離，第二級(jí)降噪籠尺寸縮小、厚度增大且與閥座為整體鍛造結(jié)構(gòu)，同時(shí)第三級(jí)降噪籠增加體積尺寸和底部封板厚度（如圖4所示）。

5 實(shí)施效果及新問題

（1）通過更換上述改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新閥體，高旁閥經(jīng)過2015年運(yùn)行檢驗(yàn)，此前曾因高頻振動(dòng)而反復(fù)發(fā)生的故障，例如：

①高排逆止閥后疏水袋水位計(jì)取樣管座斷裂。

②高旁出口溫度計(jì)A、B斷線。

③高旁管支吊架裝置螺絲松動(dòng)。

④高旁調(diào)節(jié)閥后壓力測(cè)點(diǎn)二次門后取樣管振斷。

⑤高旁減溫水管座焊縫斷、裂漏汽（西南、北側(cè)兩處完全斷裂，東側(cè)局部開裂）。

⑥高旁閥后垂直段彈簧支座部分螺母松脫、支架側(cè)位，6塊加強(qiáng)肋板一塊斷裂、5塊根部產(chǎn)生裂紋。

⑦高排逆止閥操作氣缸底部壓縮氣管震斷。

上述故障在更換新閥體后，沒有再發(fā)生相同或類似缺陷，證明了該方法可以有效地解決閥門運(yùn)行中受夾帶水滴的濕蒸汽沖擊而損壞的問題，此前由于閥門內(nèi)部節(jié)流裝置損壞所引起的高頻振動(dòng)和噪音問題得以解決。

（2）上述改進(jìn)結(jié)構(gòu)的閥體雖然增加了強(qiáng)度，沒有再次發(fā)生節(jié)流裝置損壞的故障，但是機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，尤其是鍋爐試水壓后過熱器中留存了大量液態(tài)水，主蒸汽溫度處于濕蒸汽區(qū)運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)2～3h，蒸汽混夾的水滴仍對(duì)高旁閥閥芯、閥座產(chǎn)生沖擊，經(jīng)過多次冷態(tài)啟動(dòng)后，高旁閥又出現(xiàn)了新的問題，即閥門內(nèi)漏。

7號(hào)機(jī)組2016年1月5日停機(jī)后，高旁閥后溫度從253℃升至最高357℃，說明閥門內(nèi)漏嚴(yán)重。

解體檢查，發(fā)現(xiàn)閥芯、閥座均存在不同程度吹損，如圖5所示。

后續(xù)采取激光補(bǔ)焊司太立合金修復(fù)閥芯、閥座密封面，但每次修復(fù)后經(jīng)過機(jī)組1～2次冷態(tài)啟動(dòng)，即又出現(xiàn)不同程度的內(nèi)漏，無法根本解決問題。

6 高旁閥閥芯、閥座防沖刷結(jié)構(gòu)改造方案及效果

實(shí)際運(yùn)行、檢修情況證明，此前更換的新閥體雖然解決了閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題，卻無法避免濕蒸汽對(duì)閥門密封面的沖刷破壞，為了徹底處理閥門內(nèi)漏缺陷，再次研究決定采取閥芯、閥座防沖刷結(jié)構(gòu)改造方案，如圖6所示，閥芯密封面背對(duì)蒸汽流動(dòng)方向。

上述改造于2016年底實(shí)施后，7號(hào)機(jī)組于2017年（截至發(fā)稿日期）進(jìn)行了5次冷態(tài)啟動(dòng)（其中有兩次冷態(tài)啟動(dòng)前鍋爐進(jìn)行了水壓試驗(yàn)），運(yùn)行中高旁閥后溫度與高壓缸排汽溫度的偏差在1℃以內(nèi)，停機(jī)后高旁閥后溫度沒有異常升高，有效解決了高旁閥頻繁內(nèi)漏問題。

7 結(jié)語

茂名熱電廠7號(hào)機(jī)組旁路閥從基建到投產(chǎn)的五年時(shí)間內(nèi)，先后發(fā)生了油缸驅(qū)動(dòng)力不足閥門無法開啟、高頻劇烈振動(dòng)引起閥門及管系焊縫開裂、噪音超標(biāo)污染、閥門內(nèi)漏等多種問題，通過閥體結(jié)構(gòu)改造、閥芯閥座防沖刷結(jié)構(gòu)改造等一系列技術(shù)方案，歷時(shí)五年，終于有效地解決了上述缺陷問題，消除了高溫高壓設(shè)備的安全隱患，避免了高品質(zhì)蒸汽內(nèi)漏造成的大量能耗損失。為了盡量延長(zhǎng)設(shè)備壽命和檢修周期，運(yùn)行中還應(yīng)采取以下措施：

（1）在機(jī)組啟動(dòng)前開啟旁路閥門，在啟動(dòng)初期限制最小閥位不低于25%，直到高旁閥前主蒸汽和低旁閥前再熱蒸汽超過50℃的過熱溫度后再對(duì)閥門進(jìn)行小開度操作；或者高低壓旁路閥門保持25%開度直至過熱蒸汽參數(shù)達(dá)到機(jī)組沖轉(zhuǎn)壓力要求，再轉(zhuǎn)入壓力控制模式。

（2）在機(jī)組啟動(dòng)前確認(rèn)低壓旁路閥前疏水閥門投入自動(dòng)模式，即機(jī)組負(fù)荷小于某一設(shè)定負(fù)荷（例如133MW）低壓旁路閥前疏水閥處于開啟狀態(tài)。

（3）機(jī)組啟動(dòng)過程盡量縮短主蒸汽溫度接近濕蒸汽區(qū)的運(yùn)行時(shí)間，以減少蒸汽中夾帶水滴對(duì)高旁閥的破壞，主蒸汽升溫速率上限為5℃/min。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋漢武.汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)，火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)，第四卷火電站系統(tǒng)與輔機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2] 洪勉成.閥門設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

[3] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.